化工原理课程设计—列管式换热器.doc

设计任务书
设计题目：设计一正丁醇冷却器
设计条件
⑴、处理能力：
⑵、设备类型：列管式换热器（非定型式）
⑶、操作条件：
流体名称入口温度℃出口温度℃
物料纯正丁醇
冷却介质自来水
允许压力降：热损失：按传热量的计算
设计内容
⑴、前言
⑵、确定设计方案（设备选型、换热器材质）
⑶、确定物性数据（冷却循环水的出口温度、纯正丁醇和水在物性温度下的物理性质）
⑷、工艺设计
初占换热面积、确定换热器基本尺寸（包括管径、管长、程数、每
程管数、管子数排列、壁厚、换热器直径、流体进出管管径等计算）
⑸、换热器计算
①核算总传热系数（传热面积）
②换热器内流体的流动阻力校核（计算压降）
⑹、机械结构的选用
①管板选用、管子在管板上的固定、管板和壳体连接结构
②封头类型选用
③温差补偿装置的选用
④管法兰选用
⑤管、壳程接管
⑺、换热器主要结构尺寸和计算结果表
⑻、结束语（包括对设计的自我评述及有关问题的分析讨论）
⑼、换热器结构和尺寸（4#图纸）
⑽、参考资料目录
开始时期年月日
结束时期年月日
学生：牛俊健班级：73 学号：指导老师：冯伟
流程图和工艺流程图
冷却水出口管（温度：）
纯正丁醇入口管（温度：）
冷却水入口管（温度：）
纯正丁醇出口管（温度：50℃）
设计计算
确定设计方案
确定设备类型
两流体的温度变化：①热流体的入口温度，出口温度；
力体定性温度。

②冷流体的入口温度，出口温度；
冷流体定性温度。

冷热流体的最大温差，因此，选用列管式换热器。

确定壳程流体和管程流体
流体经过管程和壳程的选择原则：
①不清洁或易结垢的流体，应走容易清洗的管道，可走管程。

②腐蚀性流体应走管程。

③压力高的流体应走管程。

④有毒流体应走管程。

⑤被冷却的流体应走管程。

⑥饱和蒸汽应走壳程。

⑦黏度大的流体或流量小的流体应走壳程。

两种流体的物理性质如下表：
物性
流体
定性温度密度
㎏比热容
㎏
黏度导热系数
纯正丁醇 2.649
水 4.178
综上所述，纯正丁醇走壳程，水走管程；且采用逆流。

初算换热面积
热流量（的热损失）
若换热器无相变化，且流体的比热容可取平均温度下的比热容，则
式中——换热器的热负荷，;
、——分别为冷、热流体的质量流量，㎏；
、——分别为冷、热流体的平均比热容，（㎏）；
、——冷流体的进、出口温度，
、——热流体的进、出口温度，
有效传热量
冷却水用量
（
平均传热温差
①平均温差
先算出逆流的对数平均温差，再乘以考虑流动方向的校正因子，即
Δ逆
逆
——按逆流计算的对数平均温度差，；
式中
逆
——温度差校正系数，量纲为
其中，，。

逆
值可根据
冷流体的温升
两流体的最初温度差
热流体的温升
冷流体的温升
经温度差校正系数图可得，所以，
Δ
②初算传热面积
设传热系数, 则传热面积
工艺结构尺寸
管径和管内流速
选用较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速。

管程数和传热管数
管
式中
——管内的流量，㎏；
管
——管子内径，；
——水的密度，㎏
又因为有
式中——在设定的条件下所需的管长，。

所以
（）
采用长的标准管，则管层数
因此，所以至少需要根管子。

管子的排列方式及壳层数
由于平均传热温差校正系数，同时壳层流体流量较大，故取单壳层合适。

采用正三角形排列，如图
取管心距，则
（）
隔板中心到离其最近的一排管中心距离Z计算如下：
各程相邻管的管心距为44mm.
壳体直径
①壳体内径
式中——管板利用率
正三角形排列、二管层，可取，则
（）（）
②壳体壁厚
式中——壳体承受的内压，p Pa；
——壳体所用钢材钢的许用应力，=108MPa；
——焊缝系数，，量纲为；
——腐蚀余量，。

采用标准壁厚
折流板
①折流板圆缺高度采用弓形折流板圆缺高度为壳体内径的，则切去的圆缺高度为
②板间距取折流板间距, 则
③折流板数目
传热管长
折流板间距
则
接管
管程流体进出口接管接管内液体流速，则管程流体进出口接管内径为:
（）（）
水
壳程流体进出口接管接管内液体流速，则壳程流体进出口接管内径为:
（）（）水
管法兰
标准管法兰号：HG20592 ;密封面形式：平面。

放空管
放空管选取的无缝钢管。

排污管
排污管选取的无缝钢管，接管管长均选取。

支座
选用鞍式支座标准号：，鞍座：
管箱
管箱的公称直径为平盖管箱；为平盖管箱和封头管箱，推荐使用封头管箱；DN≥900mm，选择封头管箱。

故采取平盖管箱。

封头
因为该设计为浮头式，所以封头尺寸应该增加，封头为
，直边高度为，曲边高度。

如图所示，材料选用钢。

换热器核算
3.4.1 值的核算
①管程传热系数
式中——管程流体对流传热系数，℃；
——管程流体的热导率，℃；
——管内径，；
——管程流体的流速，
——管程流体的黏度， ；
——管程流体的密度，㎏；
——管程流体的比热容，㎏；
——管程流体的雷诺数；
——管程流体的普朗特数。

当流体被加热时，, 被冷却时。

管程流体被加热，取；
因为，且，则
②壳程传热系数
式中——壳程流体对流传热系数，℃；
——壳程流体的热导率，℃；
——传热当量直径，m；
——管外径，m；
——壳程流体的流速，
——壳程流体的黏度， ；
——壳程流体的密度，㎏；
——壳程流体的比热容，㎏；
——壳程流体的雷诺数；
——壳程流体的普朗特数；
——壳程流通截面积，。

管子采用正三角形排列，传热当量直径为
所以壳程流速为
壳程流体的雷诺数和普朗特数分别为
因为，所以
℃
③实际的总传热系数K值
实
——实际的总传热系数，℃；
式中
实
、——分别为管内、外侧污垢热阻，℃；
、、——分别为管内径、管外径、平均直径，；
——换热器的管壁厚度，；
——管壁材料的热导率，℃。

查表可得：℃；℃；
℃。

已知管壁厚度，所以平均壁厚
实际总传热系数
℃
实
，所以假设的K值合格。

因为
实
传热面积的核算
计算的传热面积
计
实
实际的传热面积
实标
实
计
实
计
传热面积合适，该换热器能够完成生产任务。

换热器内压降的核算
①管程阻力
标
式中、——分别是直管及回弯管中因摩擦阻力而引起的压降，；
——结垢校正因数，对于管子取；
——摩擦系数，由 –双对数坐标图可得；
——串联的壳程数。

，，㎏，
其中，，
标
，则
（）
（）
（）
因为，所以管程流体阻力在允许范围之内。

②壳程阻力
式中——壳程总阻力引起的压降，；
——流体横向流过管束的压降，；
——流体通过折流板缺口处的压降，；
——壳程结垢校正系数，液体取1.15；
——管子排列方法对压降的校正系数，三角形排列
——壳程流体的摩擦系数，当时，。

其中
，，，㎏，。

所以
（）
（）
（）
所以壳程流体的阻力在允许范围之内。

经以上核算，证实该换热器合格。